JP4509773B2 - 物体のトポグラフィ形状を三次元で測定する装置 - Google Patents

物体のトポグラフィ形状を三次元で測定する装置 Download PDF

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Description

本発明は、物体のトポグラフィ形状を三次元で測定する装置に関し、該装置は、該物体を照射するようにされた光源と、該光源によって出力された照射光の経路及び該物体によって反射された反射光の経路を分岐させるようにされた光路分岐光学素子とを有するアレイ共焦点画像システムを備え、該共焦点画像システムはさらに、該光路分岐光学素子から出た照射光を小スポットのアレイに変換するようにされた共焦点トポグラフィ・マスクを備え、該共焦点画像システムはさらに、共焦点画像を形成するために、該照射光を該物体の方へ配向し、該反射光を該共焦点トポグラフィ・マスクの方へ配向するようにされた共焦点対物レンズを備え、該装置はさらに、該共焦点トポグラフィ・マスクを通過し、該光路分岐光学素子によって偏向させられた該反射光を受け取り、該偏向させられた反射光を強度値に変換するようにされた光電センサ部材を備え、該装置は、該共焦点トポグラフィ・マスクが搭載され、該物体と物体焦点位置との間の所定方向の相対距離を修正することを目的として、該共焦点トポグラフィ・マスクを所定距離全体の連続的な位置にわたって移動させるようにされた走査部材も備え、該装置はさらに、該光電センサ部材に接続された画像プロセッサであって、共焦点応答信号を形成し、該光電センサ部材によって該物体と物体焦点位置との間の該所定方向の異なる相対距離において得られた該共焦点画像から該物体の形状を計算するようにされた画像プロセッサを備え、該共焦点対物レンズは、該連続的な位置において出力された該小スポットのアレイを連続的な物体焦点位置でマッピングするようにされる。
本発明はまた、物体のトポグラフィ形状を三次元で測定する方法に関する。
このような装置及び方法は、欧州特許第0679864号明細書から公知である。既知の装置及び方法においては、光源は、ホログラム及びレンズ・アレイによって形成された光路分岐光学素子を横切る照射光路を出力し、ピンホール・アレイからなる共焦点トポグラフィ・マスクに到達する。マスクを通過した後に小さなスポット・アレイによって形成された照射光路は、測定されるべき物体で終了する。物体の位置で、入射光スポットは反射され、反射光はマスクを横切って光路分岐素子に到達する。光路分岐素子は、反射光を光電センサ部材の方向に偏向させ、ここで入射光は、考慮中の物体の三次元形状を求めるために、画像プロセッサによって検出され、さらに処理される。第三次元を求めるために、物体と物体焦点位置との間のZ方向の相対距離を修正するための手段が設けられる。既知の装置においては、この手段は、共焦点トポグラフィ・マスク、光路分岐光学素子、センサ部材、及び共焦点対物レンズが取り付けられた走査部材を含む機構によって形成される。機構全体がZ方向に移動することにより、物体焦点位置は、所定距離にわたってZ方向に変位するようになる。従って、物体と物体焦点位置との間のZ方向の相対距離が変化し、その結果、第三次元を求めることが可能になる。
公知の装置及び方法の欠点は、物体と物体焦点位置との間の相対距離を修正するために、共焦点トポグラフィ・マスク、光路分岐光学素子、センサ部材、及び共焦点対物レンズのすべてを一緒にZ方向に移動させることである。このような比較的重い機構の移動は、ある程度の動力を必要とし、高速のオンライン測定に最適な選択ではない。
本発明の目的は、物体の形状を三次元で測定するための装置及び/又は方法を実現することであり、この装置は、高速で作動して高速測定を可能にするアレイ共焦点画像システムを用いるものである。
この目的のために、本発明による装置は、共焦点対物レンズが、装置内の固定位置に取り付けられた3D共焦点対物レンズであることを特徴とする。固定された3D共焦点対物レンズを用いることにより、トポグラフィ・マスクのみが、連続的な位置にわたって移動させられる。トポグラフィ・マスクは機構全体と比べてはるかに軽いので、その移動には、従来技術による移動と比べてはるかに動力を必要としない。結果として、高速オンライン測定により適した高速移動が達成される。従来技術では、当業者に共焦点対物レンズを固定保持するようには提案していないことに留意されたい。逆に、従来技術である図11に示される代替的な実施形態は、マスクを固定保持し、共焦点レンズの一部を移動させるように教示する。このように、この従来技術から始めると、当業者は、共焦点対物レンズを固定することから離れる方向に導かれる。
好ましくは、共焦点画像の結像誤差を最大で2ピクセルに止めるために、3D共焦点対物レンズは、球面収差及びコマ収差を制限するような方法で設計される。画像プロセッサのレベルで優れた画像品質を得るためには、ある程度の制約を共焦点対物レンズに課す必要がある。これらの制約は、共焦点レンズの球面収差及びコマ収差に対して制限を設定することによって満たされる。
本発明による装置の第1の好ましい実施形態は、共焦点トポグラフィ・マスクが、走査部材上に取り付けられたマイクロレンズ・アレイによって形成され、該装置がさらに、光電センサ部材の焦点に配置された単一ピンホールを備えることを特徴とする。
好ましくは、照射光源は、上部にさらにマイクロレンズが接合された高密度LEDアレイからなる。このようにして、十分な光強度が提供される。
本発明による装置の第2の好ましい実施形態は、分岐光学素子の照射側では、直線偏光子が光路内に使用され、その反対側では、四分の一波長板及び検光子が使用されることを特徴とする。このようにして、反射から生じ、測定される反射光には寄与しない「ノイズ」光が、大幅に減少させられる。
本発明による装置の第3の実施形態は、走査部材が、連続的な位置を示す走査信号系列を発生させるようにされ、該走査信号を画像プロセッサに供給するために該画像プロセッサに接続された走査信号発生器を備え、光電センサ部材は、検出素子の第1のアレイを備え、該画像プロセッサは、処理素子の第2のアレイを備え、該第2のアレイの処理素子の各々は、該第1のアレイの多数の検出素子に毎回接続され、該画像プロセッサは、同系列の走査信号内の該強度値の連続的な信号を毎回受け取るようにされ、該処理素子の各々は、該連続的な強度値を相互に識別して、共焦点応答信号を形成するこれらの強度値を保持するようにされ、該画像プロセッサは、該共焦点応答信号をもたらした該位置を表す該走査信号を、該共焦点応答信号を形成する該強度値に関連付けるようにされたことを特徴とする。走査信号を処理素子に与えることにより、該処理素子は、走査部材と同期して作動し、その結果、高速処理を可能にする。検出素子の第1のアレイ及び処理素子の第2のアレイが存在することにより、入射光の検出と検出光の処理とを分離することが可能になり、その結果、全体の処理速度が増加し、さらに装置が高速測定に適したものになる。強度値を識別することにより、共焦点応答信号を、最大強度値を持つように保つことができる。従って、処理されるデータ量が削減される。最大値に対応する走査信号が、走査部材及び画像プロセッサの同期作動によって容易に認識されるので、物体の形状を迅速に測定することができる。
本発明による装置の第4の好ましい実施形態は、サンプリング部材が、検出素子の第1のアレイと処理素子の第2のアレイとの間に取り付けられ、該サンプリング部材は、該検出素子によって生成され、該検出素子の平行読み出しゲートに出力された強度値を所定のサンプリング・レートでサンプリングするようにされ、該処理素子の各々は、同系列の走査信号内でサンプリングされた強度値の各々を格納するようにされた記憶素子を有し、該処理素子の各々は、同一の該記憶素子に毎回格納される強度値を補間することによって最大強度値を求めるようにされたことを特徴とする。これにより、信頼性に実質的に影響を与えることなく、処理される強度値の量を大幅に削減することが可能になる。
本発明による装置の第5の好ましい実施形態は、第1及び第2のアレイが、少なくとも同数の素子を有し、処理素子の各々が、初期強度値を、格納済み強度値として関連する記憶素子に格納するようにされ、該処理素子は、次の走査信号の各々の制御の下で、最新の強度値が該格納済み強度値と比べて高いかどうかを比較して、該格納済み強度値が該最新の強度値と比べて低い場合には該格納済み強度値を上書きするようにされ、該処理素子は、最新の走査信号を各々の格納操作によって格納するようにもされたことを特徴とする。最大強度値は、容易に素早く、かつ、確実に求められる。
好ましくは、走査部材は、共焦点トポグラフィ・マスクに接続され、該マスクに垂直移動を与えるようにされたボイスコイル・アクチュエータを備える。このボイスコイル・アクチュエータが、マスクの正確で確実な移動を可能にする。
ここで、本発明は、本発明に係る装置の異なる実施形態を示す図面を参照して、より詳細に説明されることになる。
図面では、同一の参照数字は、同一又は類似の要素に付与される。
本発明は、工業的製造工程に用いられる速さに適合する速度で、物体のトポグラフィ形状すなわち3D表面形状を三次元で測定するための装置及び方法にも関する。製造工程内のオンライン用途の場合には、こうした測定に割り当てられる時間は、約0.1秒か、好ましくはそれより短い。測定される物体は、概ねxyz=50×50×3mmの寸法を有し、ここでzは高さ方向を示す。要求される精度は、特に電子部品を考えた場合には、数ミクロンの範囲内である。しかしながら、本発明は、ここで先に与えられた例に限定されるものではないことが明らかであろう。それでもなお、明確にするために、本明細書全体を通してこの引用例を用いるものとする。
本発明に係る装置は、アレイ共焦点画像システムを備える。共焦点画像システムの基本原理は、1996年にAcademic Press社によって出版されたT.R.Corle及びG.S.Kinoの「confocal scanning optical microscopy and related imaging systems」で説明される。ピンホールによって定められる点光源を用いて、対物レンズを通して物体を照射する。物体上の一点から反射された光は、対物レンズによって結像され、ピンホールに戻る。ピンホールとサンプル点上のスポットとがそれらの共焦点にある場合には、反射光は、該ピンホールを効率よく通過して反対側に配置された検出器に入る。物体が焦点から外れた場合は、共焦点関係は無効となり、反射光は、ピンホールで焦点が外れ、そのため、該ピンホールを通過して反対側に配置された検出器に入ることはない。
共焦点画像システムは、表面形状、構造、質感、粗さ、反射率、又はカラーバリエーションの詳細には左右されず、機械にxy走査することなく実施することができる。物体表面と対物レンズとの間の光路距離を変化させる代わりに、本発明に係る装置は、光路距離を一定に保つ一方で、共焦点トポグラフィ・マスクをz方向に上下移動させる。さらに、装置は、好ましくはCMOS技術及び画像プロセッサを用いる光電センサ部材による2D画像シーケンス検出及び処理を利用する。
本発明によって克服される根本的な問題は、大きなデータ・レートを処理することである。数値例として、1000×1000のxy方向の平行共焦点アレイを想定する。数ミクロンの精度を達成するためには、上述の3mmのz区間を、およそ1,000又は少なくとも100の画像に区分することが必要である。最大0.1秒の時間を達成するためには、この0.1秒以内に100から1,000の画像を取得して処理することが必要であり、言い換えれば、各々が1Mピクセルからなる画像を、1,000から10,000画像/秒又はそれ以上のレートで処理しなければならない。これは、最低でも1秒当たり10億から100億ピクセル、好ましくはそれ以上のデータ・レートである。本発明は、このデータ・レートで画像を取得し、処理することができるシステムを提示する。
図1は、本発明に係る装置及び方法に用いられる光学原理を示す。光源1が、物体6を照射するようにされた光ビーム10を放射する。光ビーム10は、まず、該光ビーム10を平行照射光ビーム11に変換するように設けられた投影対物レンズ2を横切る。例えばビームスプリッタによって形成された光路分岐光学素子3が、照射光ビーム11の光路内に配置され、ビーム11の光路と物体によって反射された光の経路14とを分けるようにされる。図1で分かるように、照射光ビーム11は、素子3による影響を受けない。
照射光ビーム11は、素子3から出て行く照射光ビーム11を小スポットのアレイに変換するために設けられた、共焦点トポグラフィ・マスクの一部であるピンホール・アレイ4を、一様に照射する。ピンホール・アレイ4は、例えば各々が50×50mmの平面上に5μの直径を有する1000×1000のピンホール、すなわち50μのピッチを持つ複数のピンホールの正方形マトリックスを備える。これらのピンホールの各々から出てくる小スポット(分かりやすくするために、単一スポットのみが描かれている)は、集光ビーム13が物体6上に入射するように、大口径の対物レンズ5によって合焦させられる。これらの小スポットは対物レンズ5に入射するので、該対物レンズは、該小スポットを物体上にマッピングする。この対物レンズ5は、物体のxy寸法(図面内の水平方向)にわたって同一の照射特性を得るために、テレセントリック特性を有することが好ましい。ピンホール・アレイ4、対物レンズ5、及び物体6上の表面点のz位置(図面内の垂直位置)が、構成が共焦的である場合、すなわちスポットが物体表面の特定位置で鮮明な点にマッピングされるようなものである場合には、物体表面6からの大量の反射光が、同一経路、すなわち13及び12を戻って元のピンホールに入る。ピンホール4の反対側から出てくる光ビーム14は、ビームスプリッタ3によってカメラの対物レンズ7に偏向させられる。次に、この光は、光電センサ部材上に合焦される15。センサ8は、画像プロセッサ電子機器9によって制御され、読み出される。
物体6の表面形状によって、表面が焦点位置にない場合には、焦点から外れた表面領域6によって極僅かな光のみが反射されて、ピンホールに戻る。したがって、センサ8のピクセルは、最大の光を受け取り、ピンホール・アレイ4、対物レンズ5、及び表面6の共焦点関係が満たされる(共焦点光学原理)相対位置において、共焦点応答信号を形成することになる。このことが、図2に示される実線によって説明される。
第三次元を得るためには、物体6と物体焦点位置との間の相対距離を、所定方向(図示された例においてはz方向)に修正することが必要となる。
相対距離を修正するためのこれらの手段には、共焦点トポグラフィ・マスク4が取り付けられた走査部材16が含まれる。走査部材16は、矢印17によって示されるマスク又はピンホール・アレイの上下移動を可能にする。したがって、走査部材は、所定方向の連続位置にわたって、及び、例えば3mmといった所定距離にわたって、マスクを移動させる。
本発明に係る装置又は方法においては、走査動作の際には、共焦点トポグラフィ・マスク4のみが移動することに注目しなければならない。対物レンズなどの他の部品は、固定されたままである。
走査部材はさらに、移動中にマスクが到達した連続位置を示す走査信号系列を発生させるようにされた走査信号発生器18を備える。このように、走査信号系列内の異なる走査信号は、異なる位置を表す。走査信号発生器はさらに、走査信号をセンサ部材及び画像プロセッサに供給するために、それらに接続される。
図1で分かるように、対物レンズ5は、移動するマスクの照射経路方向を考慮して、下流に配置される。マスクが移動するので、マスクによって出力された小スポットのアレイも、所定方向に移動することになる。このように、対物レンズ5は、異なる小スポットを、物体の異なる物体焦点位置上に、異なる高さでマッピングすることになる。
走査部材によって共焦点レンズ5とマスク4との間の光学距離を変化させる利点は、該マスクが、例えば米国特許第5,737,084号に記載されたニプコー・ディスクと比べて質量が小さいことにある。この小さい質量により、回転の代わりに、より高速の直線移動をもたらす高加速が可能になる。さらに、共焦点レンズ5が装置内で固定されたままなので、該共焦点レンズ5と物体6との間の作動距離が固定されたままであるため、本発明に係る装置は構築が容易である。走査部材は、装置内に完全に収容され、共焦点レンズを変更して容易に視野を変えることができる。
本実施形態においては、走査部材は、例えばボイスコイル・アクチュエータによって形成される。ピンホール・アレイの質量が小さいために、高速移動が可能である。従って、わずか数ミリ秒以内で、数mmを移動させることができる。これにより、高速測定時間を達成するためのインライン測定に必要な高速z走査が行われる。より小口径の対物レンズ7が用いられるので、ピンホール・アレイ4の全移動は焦点深度内にとどまり、そのため、センサ・ピクセル8への集光は、この移動によって影響を受けることはない。
ピンホール・アレイは、連続的に上下移動することが好ましく、その系列内の走査信号の各々は、該ピンホール・アレイ4の特定のz位置に対応する。
このようにして、光源によって出力された照射光ビーム10が、投影対物レンズ2及びビームスプリッタ3を横切って、マスク4に到達する。光ビーム12に含まれ、ピンホールの1つから出てくるスポットが、対物レンズ5によって合焦することになる。移動時のマスク4の実際の位置、及び、合焦スポットが入射する物体6上の点Pが、焦点が合っている場合には、該合焦スポットは点Pで完全に反射されるであろう。一方、それらの焦点が外れている場合には、小量の光しか反射されないか、又は僅かな光さえも反射されないであろう。次に、反射光は、ビームスプリッタ3によって分岐され、対物レンズ7及びセンサ部材8に到達する。
このように、センサ部材8の固定ピクセルについて考えると、このピクセルによって認識される光の強度は、一般的に極めて低いものとなる。例外として、ピンホール・アレイ4、対物レンズ5、及び表面6のz位置の間の共焦点条件が満たされたとき、このピクセルにおいて最大の光が認識されるため、共焦点応答信号が形成されることになる。センサ・ピクセル8で最大光強度が観測された時点でのピンホール・アレイ4の位置を記録することにより、表面点Pの対応するz座標の測定値が得られる。所与のピクセルで認識されるz位置の関数としての強度は、図2に示される実線のようになる。
共焦点トポグラフィ・マスク4にピンホール・アレイを用いる代わりに、ピンホールの各々に、光源側に面してマイクロレンズを取り付けることも可能である。これにより、装置の光効率が改善されるであろう。マイクロレンズは、入射光のすべてをピンホールに合焦するとともに、該ピンホールを通って戻り、センサ方向に向かう光のすべてを平行にする。十分に平行ではない光、マイクロレンズ間に入射する光、又は、ピンホール・アレイの下流の物体若しくは光学素子によって反射されるノイズ光は、ピンホール・アレイによって遮断することができる。
代替的な実施形態によれば、共焦点トポグラフィ・マスクは、マイクロレンズ・アレイによってピンホール・アレイ4の位置に形成される。図3に示されるように、この実施形態においては、単一ピンホール20が、カメラの対物レンズ7−1及び7−2の焦点に配置される。マイクロレンズの焦点を通過しないあらゆる光線25は、その単一ピンホール板20のピンホール外に衝突し、センサに到達しない。これを説明するために、図3のカメラの対物レンズは、焦点に結像する第1の部分7−1と、該焦点からセンサ部材8に結像する第2の部分7−2とからなる2段対物レンズである(テレセントリック対物レンズ)と仮定する。この対物レンズの制限された口径によって、ピンホール・アレイの機能がマイクロレンズ板に代替される。マイクロレンズを用いる場合には、照射/カメラ対物レンズの小さい開口数によりもたらされるマイクロレンズの小さな許容範囲が効果的なピンホールとしての機能を果たすことになるので、ピンホール・アレイを省くことができる。
後述されるように、マイクロレンズによって定められ、最終的に付加的なピンホールと組み合わされる光フィルタ素子及び光検出素子を定める光源は、多くの(静止及び非静止の)構成をとることができ、そのうちの幾つかが説明された。それは、物体表面の共焦点トポグラフィを求める走査部材として用いられる。
共焦点対物レンズ5は、画質に影響を与えないように約3mmの深度で、3D体積上の走査部材によって実現される光学走査域全体にわたって作動するのに適していなければならない。これには、3D体積内のレンズの歪みを低く保つことができる適切な設計のレンズ5を必要とする。レンズは、通常は、光軸に直交し、該レンズから一定の光学距離にある2D平面内の最適歪みに合わせて設計される。したがって、物体表面の走査のほとんどは、該物体をz方向に移動させるか、又は物体と対物レンズとの間の光学距離を変化させることによって、行われる。
そのために、本発明に係る装置又は方法に用いられる共焦点対物レンズ5は、3D共焦点対物レンズによって形成される。平坦な2D物体の鮮明な画像形成には、アッベの正弦条件を満たすことが必要となる。理想的な近軸の幾何光学においては、無限大の物体体積が、無限大の画像体積内に適切にマッピングできる。しかしながら、この特性は、倍率1を除いて、より大きな開口数について維持することができない。これらの条件は、1997年、DelftでのFifth International Topical Meeting on Education and Training in Opticsにおける、Joseph Braatの「The Abbe sine condition and related imaging conditions in geometrical optics」という論文に記載されている。この論文は、引用により本明細書の記載に組み入れられる。
より大きな開口数で大きな3D体積の適切な結像を得るためには、アッベの正弦条件とともにハーシェルの条件を満たす必要があるであろう。しかしながら、これは、倍率1の場合を除いて、矛盾するものである。しかしながら、実用的には、ある程度の球面収差は許容できる。詳細な数値シミュレーションでは、倍率+/−5及び開口数+/−0.3までは、結像誤差をセンサのレベルで最大2ピクセルに止めるために、球面収差及びコマ収差を十分に小さく維持できることが示される。
Braatの論文に戻って参照すると、3D共焦点レンズ5に課される制約は、コマ収差及び球面収差が設定限度内に維持されるような方法で、該論文の式(19)で表される画像体積の軸方向及び横方向の範囲を最適化することによって、導き出すことができる。最適化は、コンピュータ・シミュレーションによって達成することができる。調整するために利用可能なパラメータは、最大開口数及び用いられる光源の波長である。3D共焦点対物レンズの画像体積を最大にするためには、より大きな波長が有利である。
代替的な実施形態が、2つの2D最適化標準レンズの組と、マイクロレンズ板4及び物体6の固定位置とを用いて構成される。このような2段共焦点レンズが図9に示されており、該レンズは、中間のテレセントリック絞り72と共に、焦点距離f1を有する可動部70と焦点距離f2を有する固定部71とを備える。このような機構により、物体に最も近いレンズ70を移動させることによって、すなわち該物体とレンズ70との間の光学距離を変化させることによって、該物体の表面を走査することができる。物体の表面から反射して戻る光は、このレンズ70によって平行ビームに変換される。この平行反射ビームは、所定位置に固定された第2のレンズ71によって、固定されたマイクロレンズ板4上に結像させることができる。このような共焦点レンズ機構の利点は、単一の3D共焦点レンズ、固定された物体位置、及び固定されたマイクロレンズ位置のものと比較すると、(標準的な2D最適化レンズを用いることができる)極めて簡単な光学設計が得られることである。しかしながら、これは、より大きな質量を移動させなければならず、機構部分が装置の外部にあるため環境に曝されることを代償とするものである。さらに、例えば異なる視野を必要とする場合に、レンズを交換することがより困難である。
図9に示される実施形態においては、共焦点トポグラフィ・マスクは、図3に示されたものと同様のマイクロレンズ・アレイによって形成される。その結果、図9の実施形態の場合には、カメラの対物レンズ(図示せず)について、図3に示されたものと類似の機構、すなわち2段対物レンズ間に配置された単一ピンホールが選択される。
この装置では、光エネルギの所要量が極めて多い。供給される光量は、物体を移動させる速度に伴って、すなわち暴露時間が短くなるにつれて、かつ、検査される体積に伴って、増加する。さらに、「信号」光、すなわち物体の表面から反射され、13、12、14及び15で表示される光路によってセンサ部材8に到達する光の量は、該物体の反射特性に強く依存する。光路の様々な構成要素における光損失を考慮に入れると、平行光ビーム11に必要な光パワーの最大量は、上述の検査速度及び体積の要件の下では、数10ワットのオーダーとなる可能性がある。極めて短い静止時間要件のために、センサ部材が作動すべき積分時間は短く、従って、この問題を克服するためには高い光強度が必要とされる。
従来技術において用いられる一般的な光源は、ハロゲン電球である。しかしながら、必要な光エネルギを供給するためには、極めて強い光源(数100ワット)が必要とされるであろう。放出光の一部のみが、適切な平行光ビーム11を生成するのに用いられることになる。明確な焦点をマイクロレンズ4に与えるために、照射光学系及びカメラ光学系の開口数は、かなり小さい約0.01とすべきである。このような極めて非効率な光源は、作動寿命が短くなることを免れないであろう。
光源1の別の代替的な設計は、高密度LEDアレイであろう。これは、裸のLEDダイを基板上に接合し、次にこの基板をヒートシンク上に接合することによって製造される。このようにして、極めて高強度の光が必要な場合には、非常に大きい数、例えば10000個のLEDダイを、50mm×50mmの面積に載せることができる。この光源の光効率を高めるために、透明接着剤又は成形材料を用いて、第2のマイクロレンズ板をLEDアレイの上部に接合することができる。これは、測定路において、LEDによって放出される光のより多くの部分を平行にするように働くであろう。
さらに高強度及び高効率の光を供給する第3の代替的な光源が、光ファイバ束に結合される光を伴うレーザ・ダイオードのアレイである。この束の他端は、厳密に定められた平行ビームに効率よく変換することができる高強度の点光源として機能するであろう。しかしながら、レーザ・スペックルは、最も一般的なレーザ源によって生じる欠点である。出力光源の干渉性は、個別のゲイン誘導ダイオード・レーザ源のアレイを用いて、(より幅広い波長範囲をもたらす)制御されてはいるが比較的大きなレーザ媒体の温度変化を許容し、異なる光路長の効率的な混合を可能にするファイバ束に光を結合することによって、減少させることができる。
光源によって放出される光の干渉性をさらに減少させる他の可能性は、モードホッピングを生じさせるように、すなわちピエゾ振動子又はボイスコイル振動子をファイバ束に取り付けて振動させることによって、レーザ・ダイオードに与えられる電流変調であろう。このファイバ束の連続的な移動はまた、光路長を変化させるであろう。周波数の範囲は、1つのzスライスを記録する時間の間に十分に平均化されるように選択される。画像露光時間の間、すなわち走査部材の1回の全移動が記録される間に、ボイスコイル・アクチュエータ16は、z方向に連続的に移動する。画像は、カメラ8、9における光統合によって形成され、これ自体が既に位相平均を構成する。
「ノイズ」光の主な光源は、光路内の様々な素子からの不要な反射である。ノイズ光の大部分が、マイクロレンズ及び/又はピンホール・アレイ4における反射から生じる。図4に示されるように、このノイズ光の光源は、対物レンズ2に続く照射路内の直線偏光子21と、ピンホール・アレイ4の物体側の四分の一波長(λ/4)板22と、カメラの光路内の検光子23とを用いることによって、排除することができる。偏光子21は、ビームスプリッタ3の照射側に位置決めされる。偏光子は、例えば、y方向に直線偏光された光を生成する。
ビームスプリッタは、y方向に偏光された光については透過性が高く、x方向に偏光された光については反射性が強い適切な光学コーティングによって、最適化することができる。反射によって、偏光方向は保たれる。偏光子21の下流の、四分の一波長板22の前にある光学素子からの反射光は、y方向に直線偏光される。ビームスプリッタは、この偏光については透過性が高くなっているので、カメラ8、9の方向にはほとんど反射させないであろう。
x方向に偏光された光について最適な透過特性を有する、カメラの前の直線検光子23は、y方向の偏光を持つ光をさらに減少させることになる。物体の表面から反射された光は、四分の一波長板22によって円偏光される。この光の一部は、経路13に沿って戻り、四分の一波長板を反対方向に再び通過する。信号光は、円偏光からx方向の直線偏光に変化することになる。ビームスプリッタ3は、この光をカメラ8、9の方向に効率的に反射させる。反射光は、適切な偏光方向を有しており、最小限の減衰で検光子を通過する。この機構(偏光子、ビームスプリッタ、四分の一波長板、及び検光子)は、マイクロレンズ・アレイ又はピンホール・アレイ4の照射側からのカメラ8、9への不要な直接反射を減少させ、信号対ノイズ比を高めるように働くことになる。偏光子及び検光子は、ビームスプリッタ3内で組み合わせることができる。
不要な反射はさらに、光軸に直角な方向のずれが小さくなるように種々の光学素子を配置し、この光学素子に反射防止コーティングを塗布することにより減少させることができる。
別のノイズ源は、隣接するピンホール又はマイクロレンズからの光の間のクロストークである。その影響は、例えば、カメラの前に小口径の対物レンズ7を用いることによって減少させることができる。
図1を参照すると、物体6によって反射された光の処理は、センサ部材8及び関連する画像プロセッサ9によって実現される。センサ部材8及び画像プロセッサ9の作動は、本明細書で既述されるように得られた反射光を参照することによって説明されることになるが、該センサ部材及び該画像プロセッサは、別の共焦点画像システムによって得られた反射光を処理するために用いることもできることが明らかであろう。センサ部材及び画像プロセッサは、マスク4のピンホール又はマイクロレンズの各々から出る反射光を処理しなければならない。1000×1000のピンホール・アレイ・マトリックスの数値例においては、センサ部材8は、反射光を同時に処理するために、好ましくはCMOSセンサによって形成された1000×1000のセンサのアレイを必要とすることになる。さらに、マスク4は動いているので、走査部材の一回のスイープ動作の間に、100から1000の一連のzスライス画像が生成される。マスク4の走査経路全体は長さ約3mmなので、この動作は、100ミリ秒以内で容易に達成することができ、画像プロセッサによって処理されるデータ・レートは、1秒当たり10億から100億ピクセルとなる。さらにより高いデータ・レートを用いれば、より高速な収集も可能であり、1秒当たり100億から1000億ピクセルのデータ・レートを要する高速アクチュエータ及び極めて強い光源があれば、さらに10倍を達成することができる可能性がある。この例においては、1:1の対物レンズ5が想定される。
図6及び図7に示されるように、マスクの走査動作の間に得られた異なる画像を処理するために、光電センサ部材は、検出素子811から8nmの第1のアレイからなり、画像プロセッサは、処理素子9の第2のアレイからなる。第2のアレイの処理素子の各々は、第1のアレイの多数の検出素子に毎回接続される。図6に示される例においては、検出素子8ij(1≦i≦n;1≦j≦m)と処理素子9ijとの間には1対1関係があり、すなわち、検出素子の各々には、処理素子が接続されているのに対して、図7に示される例においては、処理素子9−l(1≦l≦p)の各々は、一群の検出素子に接続される。
ここで、検出素子の1つに個々に入射する反射光ビームによって生成される各々のピクセルを考え、該各々のピクセルについて1つの処理素子を仮定する。この場合、このピクセルは、走査部材16の1走査の間の大部分の時間は低強度の光を認識し、z走査に用いられる例えば約100ミリ秒の時間間隔のうちのどこかで1つの最大強度を認識することになる。処理では、走査の間に最大値が発生し、その共焦点応答信号が生成された時点を決定することが必要である。ピクセル毎の結果は、何らかのグレー値すなわち光強度ではなく、最大値が発生した時を示すタイムスタンプである。このタイムスタンプは、走査部材の位置を表す。各々のピクセルについて処理するための時間は十分であり、1000zスライスと仮定すると、ピクセルの各々は独立であると考えられるので、データ・レートは、100μ秒当たり1つの値、すなわち10kHzである。要するに、1秒当たり100億ピクセルというデータ・レートを扱うために、100万個の平行処理素子が用いられる。zサンプリング・レートが高いため、最大強度におけるz位置を数ミクロンの精度で決定するのに特別なアルゴリズム(例えば、補間)は不要である。
この平行処理を実施するためには、多くの方法がある。必要なことは、走査信号発生器18が、発生した走査信号を処理素子9に供給することである。走査信号発生器は、例えばクロック又は計時機構を備え、このクロックによって出力されたクロック・パルスは、走査部材16の時間制御された移動を可能にする走査信号に変換される。走査信号を処理素子及び走査部材の両方に供給することによって、該処理素子は、マスクの移動を追跡し、得られた最大光強度と該マスクの位置との間のリンクを確立することができる。走査信号は、例えば、マスクの少なくとも1000のz位置を識別することを可能にする10ビット信号などのデジタル信号の形態で供給される。
各々の画像処理素子によって実行される可能な処理アルゴリズムは、例えば以下のステップを含む。
1.現行の最大値をゼロ又は別の初期強度値に初期化し、その初期強度値を、処理素子の記憶素子に、格納済み強度値として格納する。
2.同系列の走査信号内における次の走査信号の各々の制御の下で、格納済み強度値を検出部材によって供給された最新の強度値と比較する。本例においては、この比較は、100μ秒毎に実行される。比較自体は、例えばグレー値に基づいて実現される。
3.最新の強度値が格納済みの値と比べて高い場合には、この最新の強度値は、記憶素子に上書きして格納され、それにより格納済みの値となる。比較に続いて格納操作が行われるたびに、格納済み強度値をタイムスタンプするため、最新の走査信号も格納される。一方、最新の強度値が格納済みの値と比べて低いか又はその値とちょうど等しい場合には、格納済みの強度値は不変である。
4.走査の最後において、格納済み走査信号は、処理素子の各々から読み出される。これらの走査信号は、最大強度値が得られた位置に対応するので、物体上の異なる点の位置が容易に求められる。
5.必要に応じて、格納済みの最大強度値を読み出すこともできる。これにより、テレセントリック光条件下で撮影された物体表面6の標準的なビデオ画像が提供されることになる。
処理素子及びセンサ素子を物理的に実装するには、幾つかの可能性がある。しかしながら、少なくとも1000個の処理素子が必要とされるであろう。100ナノ秒当たり1ピクセル、すなわち10MHzのデータ・レートを用いれば、1列のピクセルのグレー値を処理することができる。数100MHzのクロック・レートを持ち、1000個の現行最大値及び1000個のタイムスタンプ・レジスタのデータ・メモリと共に作動するデジタルプロセッサが、本明細書で既述されたアルゴリズムを実行することになる。10MHzより高いピクセル・クロック・レートを用いることによって、検出素子の幾つかの列が同じ処理素子を共有するようにすることが可能となる。
他の実装を用いることもできる。例えば、最大強度値をデジタル値として格納する代わりに、例えばコンデンサに蓄えられた電圧といった相似的な記憶装置を考えることができる。また、光強度に対応する入力ピクセル・グレー値が、電圧値として供給される。また、ステップ2で提示されたような比較操作が、アナログ電圧の比較として実行される。タイムスタンプを与える走査信号の格納を、動的なもの、すなわち1ビット当たり1つのコンデンサとすることができるであろう。次に、決定ステップ(3)は、比較器によって制御される一組のスイッチとして実行される。現行最大値が更新される場合には、このスイッチは、現行グレー値の電流をコンデンサに導き、最新の走査信号を局所タイムスタンプ・レジスタに導く。
本明細書で既述され、インテリジェントCMOSセンサを用いる方法に対する代替的な手法は、オンチップ処理なしで平行読み出し式超高速標準CMOSセンサを用いることである。この代替手法が、図7に示される。例えば、各々が50MHzのレートを持つ64の平行読み出しチャネルを仮定すると、累積データ・レートは、1秒当たり32億ピクセルである。これは、これまでの説明からすると、むしろ遅いとみなされることになる。この検出原理を用いると、対物レンズ5の開口数を減少させることによって、共焦点原理を弱めることになる。これが、例えば図2の点線のように、ピンホール・アレイ4のz位置の関数としての1ピクセル当たりの光強度最大値をより幅広くすることになる。最大値がより幅広いため、所望の数ミクロンの精度を達成するためにサンプリングされたz位置間の計算による補間を用いると、z位置の低密度サンプリングが実現可能となる。ここで、z間隔30μで約100サンプルを用いると、数値補間によって数ミクロンの精度を達成することもできる。1秒当たり32億ピクセルで100のサンプルを取得するのに、約32ミリ秒かかる。これは、インライン測定の要件に適合する。この方法の欠点は、64の平行読み出しチャネルを処理するのに必要な電子装置の体積が極めて大きいことであり、必要な最大限の計算及び補間を行うためには、64個のデジタイザ、64個のメモリ・バンク及び64個のプロセッサを必要とする。すなわち、本質的には、64組の画像処理システム一式を必要とし、そうでなければ、この手法に必要な1億ピクセルの処理には、あまりにも時間がかかり過ぎ、インライン測定要件に違反することになる。この複雑さは、取得時間と相殺されることになる。上記の例において16チャネルの平行読み出しを用いても、まだ128ミリ秒を達成することができ、これは完全に許容できるものである。メモリ・バンクは、別個のピクセルの各々について数値補間のために必要なデータを収容しなければならない。メモリ・バンクの大きさは、最大強度近傍の強度値、最大強度自体、及び各々のピクセルについての最大値に対応するタイムスタンプ(zスライス数が100なので、この場合はわずか1バイト)を格納することのみに制限される可能性がある。
表面のz値に対応する最大強度値を得るために、補間を可能にするデータとして5つのサンプル点(異なるz位置についてのピクセルのグレー値)を用いるものと仮定する。走査部材は機械的に作動するため、ピクセル値は時間系列として届く。100画像のz走査を仮定すると、各々のxyピクセル位置とは無関係に、100個の値の系列内全体の最大強度前後で、5つのサンプル点を見出すことが必要である。
図5は、単一のxyピクセルについて、共焦点z応答曲線の一例を示す。この図5で分かるように、z2における走査系列内全体の最大値に先行して、z1において極大値が存在する。共焦点応答曲線のサイドローブのため、このような極大値は例外ではなく、処理されなければならない。
時間系列は、z系列すなわち走査方向に対応するので、5つのグレー値(a〜e)及びその対応するタイムスタンプ(z1)は、極大値に対応するものであり、全体の最大値とは一致しないが、メモリに格納されることになる場合がある。次に、後続の2つのグレー値(f及びg)は、全体の最大値に属するかどうかが明らかではないので、問題になる。これらが全体の最大値に属さない場合には、これらは、グレー値b、c、又はdと比べて低い値を持つので、単純に無視することができるであろう。しかしながら、f及びgが全体の最大値(f−k、z2)の一部であるため、f及びgのグレー値が必要な場合には、これらは無視することができない。このように、わずか5個のサンプル点が用いられる場合でさえ、少なくとも9つのメモリ・アドレス(A、B、C、D、E、F、G、Z、J)、すなわち、最新の現行極大値用に5つ(A、B、C、D、E)、時間系列の最後の2つ用に2つ(F、G)、zビット用に1つ(Z)、及び後述されるようなヒストリ・フラグ用に別の1つ(J)を先読みすることが必要である。画像処理部材はさらに、視野内の全xyピクセルに共通の画像系列カウンタiを必要とする。
画像プロセッサによって適用される処理は、図8に示されるアルゴリズムを用いるものであり、図10に示される表Iを用いることによって説明されることになる。
図8に示されるように、アルゴリズムは、以下のステップを含む。
50のNSSで、アルゴリズムは、新たな走査信号系列が開始されるたびに、画像処理素子の各々によって初期化される。
51のA=...=J=0;i=0で、メモリ格納位置の各々、すなわちA、B、C、D、E、F、G、Z、及びJ、並びに画像系列カウンタiが、例えば0などの初期値に設定される。これは、表Iの2行目に示される。
52のRDGV=pで、検出素子によって供給されるなど、実際に供給されるグレー値pが、さらに処理されるために、画像処理素子によって読み込まれる。
53のi=i+1で、表Iの列iに示されるように、カウンタiが1単位だけ増加させられる。
54のRDCで、メモリ位置Cに格納された値が読み込まれる。
55のp>cont cで、実際のグレー値pが、メモリ位置Cに格納されたグレー値と比較される。pがメモリ位置Cに格納されたものと比べて高い値を有する場合(y)には、ステップ56に進められる。一方、pがメモリ位置Cに格納されたものと比べて低いか又はそれと等しい値である場合(N)には、ステップ57が実行される。
56のST NMでは、実際のグレー値pがメモリ位置Cに格納されたものと比べて高かったため、新たな最大値が認識された可能性があることを示し、このことは、メモリ位置Cへの書き込み操作を意味する。次に、次の書き込み操作、すなわち、A=F、B=G、C=p、Z=i、J=2、F=G、及びG=pが行われる。この特定の操作並びに次のステップで説明される他の書き込み操作についてのさらなる詳細は、後述の例において、図5及び表Iを参照して与えられることになる。
57のSTNNMでは、実際のグレー値がメモリ位置Cに格納されたものと比べて低いため、この実際のグレー値は、最大値と考えることはできない。次いで、次の書き込み操作、すなわちF=G、G=pが実行される。
58のJ=2?で、先の格納ステップの間に推定最大値が見出されたことを示すJ=2であるかどうかが確かめられる。
59のST1で、pがメモリ位置Dに格納され(D=p)、ステップ58でJ=2である場合には、Jは減少させられる(J=J−1)。
60のST2で、pがメモリ位置Eに格納され(E=p)、ステップ58で
である場合には、Jは減少させられる(J=J−1)。
61のLST SC?で、実際の走査信号が走査信号系列の最後の信号であったかどうかが確かめられる。
62のSTPで、実際の走査信号が信号系列の最後の信号だった場合に、アルゴリズムを実行するルーチンが終了させられる。
再び図5及び表Iの3行目を参照すると、実際に受け取った値がp=a、すなわち図5に示される最初のグレー値である場合には、それは受け取った最初のピクセル値なので、カウンタがi=1であることが確認できる。格納位置Cにはグレー値0が格納され(C=0)、a>0(ステップ55)であるので、ステップ56が実行される。これは、格納位置Cに値aが格納される(C=a)ことを意味する。F及びGに格納された値は、それぞれA及びBにシフトされ、すなわちA=0、B=0となる。最大値が推定されるとJ=2となり、Gに格納された値がFにシフトされ、すなわちF=0となるのに対して、実際のグレー値aは、Gにも格納される(G=a)。GがFにシフトされ、G=pとなるという事実は、極大値と全体の最大値との間を識別することを可能にする。したがって、AからEまでの5つのメモリ位置以外に、F及びGも用意される。最後に、Z=1は、走査信号の最初の信号で最大値が推定されたことを示す。
ここで次のグレー値、すなわちグレー値bを考え、表Iの4行目に示されるように、カウンタiをi=2に増加させる。C=a及びb>a(ステップ55)なので、それぞれ、グレー値はCに格納され、Gはbによって上書きされる(C=b)。Gに格納されたグレー値aは、Bに格納され(B=a)、F=aとなる。グレー値bが再び推定最大値になるので、Z=2及びJ=2となる。
表Iの5行目において、次のグレー値cを考える。C=b及びc>bなので、本明細書で既述されたものと同様の操作が実行され、i=3、A=a、B=b、C=c、F=b、G=c、Z=3、J=2となる。
ここで、次のグレー値d(表Iの6行目を見よ)を考える。カウンタiはi=4に設定され、C=c及びd<c(図5を見よ)なので、dは最大値とはみなされず、したがってステップ57に進み、そこでF=G及びG=p、すなわちF=c及びG=dとされる。次のステップ58において、J=2で実際に値が格納されたことが確かめられ、その結果、ステップ59に移り、そこで次のグレー値としてD=pとし、J=J−1とすることにより、D=d及びJ=1になる。新たな最大グレー値が見出されないので、Zは不変である。
グレー値dに続くグレー値eも、メモリ位置Cに格納されたグレー値cより小さい。したがって、ステップ57が再び実行され、F=d及びG=eとなる。しかしながら、ステップ58において、
であることが確かめられているので、ステップ60に続くことになる。このステップにおいて、JはJ=0に減少させられ、次のグレー値としてE=eとなる。同様に、新たな最大値が認識されないので、Zは不変である。
次のグレー値f(i=6)に達すると、f<cであることが確かめられ、その結果、F=e及びG=fとなる。
で、J=0であり、実際の最大値(本例においてはc)を越える2つのグレー値のみが考慮されるため、Jはこれ以上減少させられることはない。Jは、実際の最大値に対する考慮中のグレー値の位置を識別することを可能にするフラグ機能を有する。新たな最大値が認識されないので、バイトZはさらに不変である。
次に考慮されるグレー値は、g(i=7)である。g>fではあるが、gは、Cに格納されたグレー値cと比べて依然として小さい。したがって、F=f、G=g、J=0となり、Zは、Z=3のままである(ステップ57、ステップ58及びステップ60)。しかしながら、グレー値h(i=8)に至ると、このグレー値は、メモリ位置Cに格納されたグレー値cと比べて大きいので、ステップ55においてステップ56に移り、A=f、B=g、C=h、J=2、F=g、及びG=hとなる。新たな最大値が見出されたので、Zは、Z=8になるようにされなければならない。
次のグレー値j(i=9)は、メモリ位置Cに格納された実際の最大値であるhと比べて小さい。ステップ57において、F=h及びG=jとなり、ステップ58において、J=2であることが確かめられている。したがって、ステップ59に移り、ここでJ=2−1すなわちJ=1、及びD=jとなる。新たな最大値が認識されないので、ZはZ=8のままである。最後に、グレー値k(i=10)を用いて、k<h及び
であることが確かめられる。したがって、JはJ=0に減少させられ、F=j、G=l、及びE=kとなる。
これは、この時点で位置AからEに格納されているのは、全体の最大値を表すグレー値fからkであり、極大値を表すaからeではないことを意味する。このように、本アルゴリズムは、極大値と全体の最大値とを相互に識別し、全体の最大値のみを共焦点応答信号として保持することを可能にする。さらに、Z値を格納することにより、考慮中の最大値をもたらした考慮中の系列の間の走査信号も保持し、それによりマスクの位置を求め、そこから物体6の必要なZ位置を導出することが可能になる。
走査動作が決定され、必要なグレー値がメモリ位置AからEに格納され、2カ所で最大になると、正確な最大値を得るために、補間操作が必要とされる。この目的のために、異なるアルゴリズムを用いることができる。1つの可能なアルゴリズムは、指数で重み付けされた重心
であり、ここで、uは、5つのメモリ位置AからEに格納されたグレー値gvを表す(A=1、....、E=5)。
本方法は、検出素子毎の処理素子を用いるものと同様の出力を与える。各々のピクセルについて、最大強度値用に1バイトであり、対応する補間z位置用に2バイトである(補間のため、2バイトを必要とする)。したがって、先の方法と同様に、外部に設置するか又はカメラ自体に一体化することもできる画像処理基板に、2つのマップを伝送することができる。一方のマップは、各々のピクセルについての最大強度値を含み、もう一方のマップは、表面のトポグラフィを含む。
別の可能な変形は、3Dカメラを標準的な2Dカメラとして付加的に用いることである。最高の構成を無視し、単に、標準的な積分型CMOSカメラに対応するある時間間隔にわたってピクセル強度を積分できることは、有用であると考えられるかもしれない。このように、ある製造装置内の同一の取り付け位置において、必要に応じて2D又は3D画像を取得することができるであろう。
反対の選択も可能である。(例えば、シリコン配置又は他の固有の実装に関わる理由で)上述のような最大グレー値の読み出しが望ましいものではなく、インテリジェントCMOSセンサが最大値の位置のみを生成する場合には、第2のビームスプリッタを図1の構成に追加し、この第2のビームスプリッタの後に標準的なCMOS又はCCDカメラを追加することができる。このカメラは、z走査時間全体にわたって光を積分することになる。このようにして、この付加的な標準カメラによって標準的な2D画像を得る。
測定装置のさらに別の変形は、光源1を物体6に近い光源に置き換える場合に得られる。この場合には、この機構は、共焦点特性を失い、「焦点深度」センサになる。また、z走査の際の最大グレー値からなる画像は、この第2の照射形態についての通常の2D画像に対応する。このように、これは、異なる照射形式を用いて物体6の画像を得ることができるので有用であろう。
本発明に係る装置に用いられる光学原理を示す。 1つの検出素子について、センサ部材に入射する反射光の光の強度を、マスクの移動の関数として示す。 マスクがマイクロレンズ・アレイ及び単一ピンホールによって形成される場合の装置を概略的に示す。 偏光子、四分の一波長板、及び検光子を使用した場合の装置を概略的に示す。 考えられる共焦点Z応答信号を示す。 画像検出素子及び処理素子の実施形態を示す。 画像検出素子及び処理素子の実施形態を示す。 極大値と全体の最大値とを相互に識別するための方法をフローチャートによって示す。 2部分の対物レンズを使用した場合の装置の構成部品として、対物レンズを概略的に示す。 メモリ内容の一例を伴う表を示す。

Claims (18)

  1. 物体のトポグラフィ形状を三次元で測定するための装置であって、前記物体を照射するようにされた光源と、前記光源によって出力された照射光の経路及び該物体によって反射された反射光の経路を分岐させるようにされた光路分岐光学素子とを有するアレイ共焦点画像システムを備え、前記共焦点画像システムが、前記光路分岐光学素子から出た照射光を小スポットのアレイに変換するようにされた共焦点トポグラフィ・マスクをさらに備え、該共焦点画像システムが、共焦点画像を形成するために、前記照射光を該物体の方へ配向し、前記反射光を該共焦点トポグラフィ・マスクの方へ配向するようにされた共焦点対物レンズをさらに備え、該装置が、該共焦点トポグラフィ・マスクを通過し、該光路分岐光学素子によって偏向させられた該反射光を受け取り、偏向させられた該反射光を強度値に変換するようにされた光電センサ部材をさらに備え、該装置が、該共焦点トポグラフィ・マスクが搭載され、該物体と物体焦点位置との間の所定方向の相対距離を修正することを目的として、該共焦点トポグラフィ・マスクを所定距離全体の連続的な位置にわたって移動させるようにされた走査部材も備え、該装置が、前記光電センサ部材に接続された画像プロセッサであって、共焦点応答信号を形成し、該光電センサ部材によって該物体と前記物体焦点位置との間の該所定方向の異なる相対距離において得られた前記共焦点画像から該物体の形状を計算するようにされた画像プロセッサをさらに備え、前記共焦点対物レンズが、前記連続的な位置において出力された前記小スポットのアレイを連続的な物体焦点位置でマッピングするようにされ、該共焦点対物レンズが、内部の固定位置に搭載された3D共焦点対物レンズであることを特徴とする装置。
  2. 前記共焦点画像の結像誤差を最大で2ピクセルに止めるために、前記3D共焦点対物レンズが、球面収差及びコマ収差を制限するような方法で設計されたことを特徴とする請求項1に記載の装置。
  3. 前記共焦点トポグラフィ・マスクが前記走査部材上に取り付けられたマイクロレンズ・アレイによって形成され、前記光電センサ部材の焦点に配置された単一ピンホールをさらに備えることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の装置。
  4. 前記単一ピンホールが、前記光電センサの前に置かれたカメラの2段対物レンズの焦点に配置され、前記2段カメラ対物レンズの間に取り付けられたことを特徴とする請求項3に記載の装置。
  5. 前記単一ピンホールが、センサの対物レンズを形成する2段対物レンズの間の前記反射光の光路内に配置されたことを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の装置。
  6. 前記共焦点トポグラフィ・マスクが、各々にマイクロレンズが設けられたピンホールのアレイによって形成されたことを特徴とする請求項1に記載の装置。
  7. 前記照射光源が、上部にさらにマイクロレンズが接合された高密度LEDアレイからなることを特徴とする請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載の装置。
  8. 前記照射光源が、光ファイバ束に結合される出力を有するレーザ・ダイオードのアレイからなることを特徴とする請求項1から請求項7までのいずれか1項に記載の装置。
  9. 前記分岐光学素子の照射側では、直線偏光子が前記光路内に使用され、その反対側では、四分の一波長板及び検光子が使用されることを特徴とする請求項1から請求項8までのいずれか1項に記載の装置。
  10. 前記走査部材が、前記連続的な位置を示す走査信号系列を発生させるようにされ、前記走査信号を前記画像プロセッサに供給するために該画像プロセッサに接続された走査信号発生器を備え、前記光電センサ部材が、検出素子の第1のアレイを備え、該画像プロセッサが、処理素子の第2のアレイを備え、前記第2のアレイの処理素子の各々が、前記第1のアレイの多数の検出素子に毎回接続され、該画像プロセッサが、同系列の走査信号内の前記強度値の連続的な信号を毎回受け取るようにされ、前記処理素子の各々が、前記連続的な強度値を相互に識別し、前記共焦点応答信号を形成する該強度値を保持するようにされ、該画像プロセッサが、該共焦点応答信号をもたらした該位置を表す該走査信号を、該共焦点応答信号を形成する該強度値に関連付けるようにされたことを特徴とする請求項1から請求項9までのいずれか1項に記載の装置。
  11. クロック部材が、前記検出素子の第1のアレイと前記処理素子の第2のアレイとの間に取り付けられ、前記クロック部材が、該検出素子の並行読み出しゲート前記強度値を所定のサンプリング・レートで出力するようにされ、該処理素子の各々が、同系列の走査信号内で集められた該強度値を格納するようにされた記憶素子を有し、該処理素子の各々が、同一の該記憶素子に毎回格納される該強度値を補間することによって最大強度値を求めるようにされたことを特徴とする請求項10に記載の装置。
  12. 前記第2のアレイが、前記第1のアレイと少なくとも同数の素子を有し、前記処理素子の各々が、初期強度値を、格納済み強度値として関連する記憶素子に格納するようにされ、該処理素子が、次の走査信号の各々の制御の下で、最新の強度値が前記格納済み強度値と比べて高いかどうかを比較して、該格納済み強度値が前記最新の強度値と比べて低い場合には該格納済み強度値を上書きするようにされ、該処理素子が、該最新の走査信号を各々の格納操作によって格納するようにもされたことを特徴とする請求項10に記載の装置。
  13. 前記走査部材が、前記共焦点トポグラフィ・マスクに接続され、該マスクに直線移動を与えるようにされたボイスコイル・アクチュエータを備えることを特徴とする請求項1から請求項12までのいずれか1項に記載の装置。
  14. 前記ボイスコイル・アクチュエータが、前記移動を監視するために設けられた、該移動の変位信号を発生させるための光学エンコーダに接続され、前記光学エンコーダが、前記変位信号から前記走査信号を発生させるようにされた前記走査信号発生器に接続されたことを特徴とする請求項13に記載の装置。
  15. 物体のトポグラフィ形状を三次元で測定するための装置であって、前記装置が、前記物体を照射するようにされた光源と、前記光源によって出力された照射光の経路及び該物体によって反射された反射光の経路を分岐させるようにされた光路分岐光学素子とを有するアレイ共焦点画像システムを備え、前記共焦点画像システムが、前記光路分岐光学素子から出た照射光を小スポットのアレイに変換するようにされた共焦点トポグラフィ・マスクをさらに備え、該共焦点画像システムが、共焦点画像を形成するために、前記照射光を該物体の方へ配向し、前記反射光を該共焦点トポグラフィ・マスクの方へ配向するようにされた共焦点対物レンズをさらに備え、該装置が、該共焦点トポグラフィ・マスクを通過し、該光路分岐光学素子によって偏向させられた該反射光を受け取り、偏向させられた該反射光を強度値に変換するようにされた光電センサ部材をさらに備え、該装置が、該物体と物体焦点位置との間の所定方向の相対距離を修正するようにされた走査部材も備え、該装置が、前記光電センサ部材に接続された画像プロセッサであって、共焦点応答信号を形成し、該光電センサ部材によって該物体と前記物体焦点位置との間の該所定方向の異なる相対距離において得られた前記共焦点画像から該物体の形状を計算するようにされた画像プロセッサをさらに備え、前記共焦点対物レンズが、第1及び第2の部分を備え、前記第1の部分が該第1の部分を所定距離にわたって該所定方向の連続的な位置全体に移動させるようにされた前記走査部材に取り付けられているのに対して、前記第2の部分が固定され、該第1の部分が、該物体に近い方に取り付けられ、該共焦点対物レンズが、前記連続的な位置において出力された前記小スポットのアレイを連続的な物体焦点位置でマッピングするようにされ、該共焦点トポグラフィ・マスクが、マイクロレンズ・アレイによって形成され、該光電センサ部材の焦点に配置された単一ピンホールをさらに備えることを特徴とする装置。
  16. 前記第1及び第2の部分の間に、テレセントリック絞りが取り付けられたことを特徴とする請求項15に記載の装置。
  17. 物体のトポグラフィ形状をアレイ共焦点画像システムを用いて三次元で測定するための方法であって、前記方法が、照射光の経路及び前記物体によって反射された反射光の経路を分岐させるようにされた光路分岐光学素子を通して該物体を照射し、前記反射光の経路が、前記光路分岐光学素子から出た照射光を小スポットのアレイに変換する共焦点トポグラフィ・マスクを備えた共焦点画像システムを横切り、前記小スポットが、共焦点画像を形成するために、該反射光を前記共焦点トポグラフィ・マスクの方へさらに配向する共焦点対物レンズによって該物体の方へ配向され、前記共焦点画像が、該共焦点トポグラフィ・マスクを通過し、該光路分岐光学素子によって偏向させられた後に光電センサ部材に供給され、前記光電センサ部材が、偏向させられた該反射光を強度値に変換する、ことを含み、該方法が、該物体と物体焦点位置との間の所定方向の相対距離を修正することを目的として、該共焦点トポグラフィ・マスクを所定距離にわたって該所定方向の連続的な位置全体に移動させる走査動作も含み、
    該方法が、該光電センサ部材によって供給されるデータから共焦点応答信号を形成し、該光電センサ部材によって該物体と前記物体焦点位置との間の該所定方向の異なる相対距離において得られた該共焦点画像から該物体の形状を計算する画像処理をさらに含み、
    前記共焦点対物レンズが、前記連続的な位置において出力された前記小スポットのアレイを連続的な物体焦点位置でマッピングし、
    該共焦点対物レンズが、前記走査動作の間、固定されたままであることを特徴とする方法。
  18. 前記走査動作が、前記連続的な位置を示す走査信号系列を発生させ、前記走査信号を画像プロセッサに供給することを含み、前記画像処理が、同系列の走査信号内の前記強度値の連続的な信号を毎回受け取ることを含み、前記処理が、前記連続的な強度値を相互に識別し、前記共焦点応答信号を形成する該強度値を保持することを含み、該画像処理が、該共焦点応答信号をもたらした該位置を表す該走査信号を、該共焦点応答信号を形成する該強度値に関連付けることも含むことを特徴とする請求項17に記載の方法。
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